【儀表網 儀表產業】超聲波流量計量技術之于表計產業，猶如傳感器技術之于集成電路產業，在我國的發展還處于技術粗糙、競爭叢林的“前現代”狀態。接下來，筆者嘗試從市場、技術和競爭的維度，綜述超聲波流量計量技術的現狀。
從結構上來看
超聲波流量計量設備可以分為管段式(spool piece)、內聯式(inline)、外夾式(clamp on)及其它，如下圖1所示：
圖1 超聲波流量計量設備的結構分類(Krohne)
從技術原理的角度來看
超聲波流量計量設備可以分為傳播時間(transmit-time)、多普勒(Doppler)以及混合式(hybrid)，如下圖2、3所示：
圖2 傳播時間原理
圖3 多普勒原理
從應用產業的角度來看
超聲波流量計量設備可以分為水(與廢水)管理、油和氣、化學、發電、制藥、空間技術及其它，主要區分在于流動介質的狀態，即液態、氣態或混合態(液固、氣固、氣液)。
按照Allied Market Research統計，2020年全球超聲波流量計量設備市場的規模大約在6.5億美元，2028年預計將會達到9.6億美金，2021-2028的年復合增長率約為5.1%，如下圖4所示：
圖4 Allied Market Research全球超聲波流量市場分析報告
顯然，上述統計并未考慮民用市場，即應用于公共事業管理的超聲波流量表計市場的龐大體量和快速增長。僅就中國而言，這一市場的總潛在市場(TAM: total addressable market)即達到了超過21億美金(水表：按照單價30美金，產量7千萬只估算)和15億美金(燃氣表：按照單價50美金，產量3千萬只估算)。
當然，Allied Market Research的統計更多基于可服務市場(SAM: service available market)，反映了全球工業等市場中超聲波流量計量設備的占有情況。隨著中國廠商從民用市場向工業等市場進攻，可以預見這一市場的規模將會呈倍數增長。
超聲波流量計量設備在工業等市場的增長邏輯主要來自于以下幾個技術優勢：
一、非介入式
超聲波流量計量設備的換能器可以不與流動介質接觸，不干擾流場，因而非常適用于腐蝕性或研磨性的介質，適用于不同的管道材質等，如下圖5所示；
圖5 一種非介入式(外夾式)超聲波流量計量設備
二、便攜性
超聲波流量計量設備適用不同的安裝方式，可以快速安裝，也可以用于超大的管徑(比如4米)。
當前，超聲波流量計量設備已經被廣泛應用于諸多工業場景，如石油和天然氣消費計量、水和污水測量、HVAC系統中的制冷和制熱流體計量、管道系統中的泄漏檢測等等。
Allied Market Research認為工業等市場中超聲波流量計量設備快速增長的原因有以下三點：
密閉輸送的油氣產業對流量計量的需求；
工業過程控制對精確計量的需求；
相對其它計量方式的技術優勢。
筆者看來，公共事業管理也即民用市場中，超聲波流量計量設備將會更快增長的原因也有三個方面：
一、大勢所趨
飲用水和天然氣資源的根本性匱乏，快速城鎮化帶來的人均消耗大幅度提高，疊加全球經濟周期和當下世界局勢的影響，水價和氣價的快速上漲是必然趨勢。
圖6 歐洲天然氣期貨價格趨勢圖
二、超聲波水、氣表的性能優勢
更高的精度穩定性，更實時的數據獲取，可以幫助水、氣公共事業部門像電力公司那樣，對動態載荷進行更加細致、精確、可靠的分析，為更加可持續的供應提供解決方案；更寬的動態范圍，尤其是泄漏檢測功能集成在表計端，特別適合于因應燃氣泄漏導致惡性事故頻發的情況。
三、成本優勢
顯然，當下的超聲波水、氣表價格還是高于傳統機械水表和膜式氣表。但是，隨著整個價值鏈上游技術的成熟和創新技術的不斷導入，可以預見超聲波技術將會因為材料成本的大幅下降和生命周期的持續延長而形成采購與維護成本的雙重優勢。其中一種低成本方案的結構如下圖7所示。
圖7 一種新型超聲波基表封裝結構
從區域角度來看，亞太地區無疑是超聲波流量計量設備的最大市場，其次是歐洲和北美。中國和印度市場的多個相關產業的快速發展，為亞太地區的市場作出了主要貢獻。
歐洲是增速最快的市場，化學、發電、油氣產業以及污水管理等產業將會為該地區的市場增長提供全新的機會。
2020年，外夾式超聲波流量計量設備占有最高的市場份額，同時保持著最高的年復合增長率約5.9%，得益于其便攜、易安裝和更少的管道切斷時長。
根據換能器安裝類型，工業等市場的主要超聲波流量計量設備的市場占有率如下圖8所示：
圖8 按換能器安裝類型的超聲波流量計量設備的市場占有率
從技術分類來看，傳播時間原理的超聲波流量計量設備因其具備更高的精度而占有更大的市場優勢，如下圖9所示：
圖9 按技術類型的超聲波流量計量設備的市場占有率
按照應用分類，油氣產業是超聲波流量計量設備最大的市場，水和污水管理則是增速最快的市場，如下圖10 所示：
圖10 按應用分類的超聲波流量計量設備的市場占有率
以上部分主要分析了超聲波流量計量設備的分類及其市場趨勢。
在Allied Market Research的統計數據之外，我們還應看到更加廣闊的公共事業管理也即民用市場的快速嬗變。毫無疑問，技術創新將會進一步提高產品的精度、穩定性和可靠性，同時進一步降低系統成本，包括維護成本。
比如，2020年艾默生(Emerson)推出了Daniel T-200，一種基于金屬3D打印工藝的鈦封裝換能器，用于油氣產業密閉運輸中的超聲波氣體流量計量。相比傳統工藝，這種換能器具備更高的可靠性、運行時間以及安全性，如下圖11所示：
圖11 艾默生Daniel T-200鈦封裝3D打印換能器
Daniel T-200采用3D打印的微型金屬喇叭陣列，由幾何結構錯綜復雜的鈦合金喇叭和充當諧波振蕩器與匹配層的鈦膜構成，通過鈦金屬外殼增強信號強度，可以增加聲能輸出，提高信噪比和測量準確度。
超聲波流量計量設備的主要廠商包括Badge Meter、Baker Hughes、艾默生、Endress+Hauser、Faure Herman、富士電機、霍尼韋爾、Krohne、西門子以及Spectris。與領先品牌相比，中國本土品牌在技術積累、產品覆蓋、全球化拓展方面依然存在極大的差距。
本土品牌走出叢林競爭的關鍵，也許在于以下兩點：
學習領先品牌，提高品類覆蓋，占領中、高毛利市場；
投入技術創新，采用新材料、新工藝、新技術來強化細分品類的競爭優勢。
寫在最后
計量是傳感器技術中的明珠，超聲波流量計量廣泛而又深入的涉及到材料、機械、流體、聲學、自動化、微電子等學科，只有在每一個領域內扎實的投入并在系統層面進行融匯，同時大膽嘗試創新技術，也許才能幫助我們一步步站到全球領先的潮頭。
以上一家之言，言者無罪，聞者足戒？
文章來源：《環球表計》2022年上半年刊
文章作者：黃孫峰
文章標題：《超聲波流量計量技術綜述》
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